การออกแบบหัวฉีดเจ็ท อุปกรณ์เติมฟองอากาศขนาดจิ๋ว

 หัวฉีดเติมอากาศแบบเหนี่ยวนำเป็นอุปกรณ์เติมอากาศให้กับน้ำซึ่งเป็นขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการปรับปรุงคุณภาพน้ำ  เป็นอุปกรณ์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเติมออกซิเจนให้กับน้ำที่ดียิ่งขึ้น สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับระบบการบำบัดน้ำในแหล่งน้ำทั่วไป

  ผลงานการออกแบบของผศ.ดร.ทวีเดช ศิริธนาพิพัฒน์  อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์   อาศัยหลักการทางกลศาสตร์ของการไหลผ่านเวนจูรี่ ผลิตหัวฉีดเติมอากาศแบบเหนี่ยวนำเพื่อสร้างฟองอากาศจิ๋วหรือไมโครบับเบิล โดยอากาศจะถูกเหนี่ยวนำหรือดูดเข้าไปผสมกับน้ำโดยอัตโนมัติในรูปของฟองอากาศจิ๋ว เมื่อฟองอากาศที่ได้มีขนาดเล็กทำให้อัตราการละลายของออกซิเจนในฟองอากาศไปสู่น้ำดียิ่งขึ้น คือมีปริมาณที่มากกว่าฟองอากาศขนาดปกติ เนื่องจากมีพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างน้ำและฟองอากาศต่อหน่วยปริมาตรมากขึ้น

               ส่วนประกอบของหัวฉีด                    หัวฉีดที่ประกอบเสร็จเรียบร้อย

           ชุดทดลอง                 การเติมอากาศด้วยหัวฉีดพร้อมการตรวจวัดค่า DO

 หัวฉีดเติมอากาศ เป็นหัวใจสำคัญของระบบเติมออกซิเจน โครงสร้างภายในของหัวฉีดส่งผลโดยตรงต่อการสร้างฟองอากาศ ขนาดของฟอง ปริมาตรของฟองอากาศที่ผลิตได้ และการกระจายตัวของฟองอากาศ งานวิจัยนี้ใช้ซอฟต์แวร์ทางวิศวกรรมในการจำลองและวิเคราะห์การไหลของของไหลที่เกิดขึ้นภายในหัวฉีด เพื่อช่วยในการออกแบบ การกำหนดขนาด และสัดส่วนต่างๆของหัวฉีด และนำผลที่ได้มาเป็นข้อมูลสำหรับออกแบบหัวฉีดขึ้นมาใหม่เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

 ขนาดของฟองอากาศที่ได้และอัตราการดูดอากาศของหัวฉีดเหนี่ยวนำเป็นสิ่งที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของการเติมอากาศ เพื่อบรรลุวัตถุประสงค์ข้างต้นการออกแบบหัวฉีดเหนี่ยวนำให้ได้ขนาดและสัดส่วนที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญ ปัจจัย 3 ชนิดที่ส่งผลต่อขนาดของฟองอากาศและอัตราการดูดอากาศ คือ 1) อัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดคอคอด 2) ตำแหน่งของทางเข้าอากาศ และ3) ความยาวของช่องทางออก โดยมีการทดลองปรับเปลี่ยนอัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดคอคอดเป็น 3 ขนาด คือ 0.25 0.30 และ 0.35 ตำแหน่งของทางเข้าอากาศ 3 ตำแหน่ง คือ บริเวณกึ่งกลางคอคอด ปลายคอคอด และต้นทางส่วนขยาย และปรับเปลี่ยนความยาวช่องทางออกเป็น 4 ขนาด คือ 15 20 25 และ 30 มิลลิเมตร

จากการจำลองการไหลในหัวฉีดเติมอากาศ พบว่าอัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดคอคอดเท่ากับ 0.25 ให้อัตราการดูดอากาศสูงสุดและฟองอากาศที่ได้มีขนาดเล็กที่สุด จึงทำการผลิตหัวฉีดเติมอากาศต้นแบบขึ้นจากข้อต่อพีวีซีโดยมีอัตราส่วนหน้าตัดคอคอดเท่ากับ 0.25  ทำการวัดประสิทธิภาพการถ่ายเทออกซิเจนของหัวฉีดเก็บผลค่าDo ที่เปลี่ยนแปลงของน้ำจากหัวฉีดต้นแบบ พบว่าตำแหน่งของทางเข้าอากาศ ณ บริเวณต้นทางส่วนขยายให้อัตราการดูดอากาศสูงกว่า ณ บริเวณอื่น ส่วนความยาวของช่องทางออกไม่ส่งผลต่ออัตราการดูดอากาศมากนัก

องค์ความรู้จากงานวิจัยสามารถนำไปผลิตหัวฉีดเจ็ท เติมฟองอากาศขนาดจิ๋วหรือไมโครบับเบิลที่มีประสิทธิภาพสูงในการเติมออกซิเจนเพื่อประยุกต์ใช้ในระบบการบำบัดคุณภาพน้ำได้ทั่วไป